Naslov završnog radaJambrovi, Matija
Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / struni stupanj: University North / Sveuilište Sjever
Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:122:232077
Rights / Prava: In copyright
Repository / Repozitorij:
Matija Jambrovi , 0077/336
Student
Zahvaljujem se svom mentoru doc.dr.sc. Tomislavu Velikom na strunoj pomoi, podršci,
savjetima i ustupljenoj literaturi tijekom izrade ovog rada.
Zahvaljujem se tvrtki Te-Pro d.o.o. što su mi omoguili korištenje trokoordinatnog mjernog
ureaja, bez ega realizacija eksperimentalnog dijela završnog rada ne bi bila mogua. Takoer
se zahvaljujem svim radnicima i kolegama iz tvrtke Te-Pro na svim savjetima, odvojenom
vremenu, nesebinoj pomoi i strpljenju.
Najvea hvala mojoj obitelji na strpljenju, razumijevanju i velikom odricanju te pruenoj
moralnoj pomoi koje su mi ukazali tijekom mog studiranja i izrade ovog rada.
Matija Jambrovi
Zahtjevi za preciznost u suvremenoj proizvodnoj industriji doveli su do situacije da se
trokoordinatni CNC mjerni ureaji nalaze u gotovo svim velikim, a nalazimo ih ve i u manjim
radionicama. Meutim, veina tih strojeva koristi se kao alat za ispitivanje gotovih proizvoda, da
li isti zadovoljavaju odreene specifikacije, obino primjenjujui ope pravilo da nesigurnost
mjerila ne smije biti vea od jedne petine (idealno desetine) izmjerene vrijednosti. U ovom se
radu opisuje usporedba takvog naina generalno usvojenim naelom i izraunate ponovljivosti i
obnovljivosti CNC mjernog stroja. Usporedba se provodi u stvarnom radnom okruenju sa
stvarnim proizvodima.
SUMMARY
The requirements for precision in modern manufacturing industry has led to situation where
three coordinate CNC measuring machines are found in almost all but smallest workshops.
However, majority of those machines are used as inspection tool for pass/fail tests, usually
applying general rule that the measuring machine uncertainty should be no more than one-fifth
(ideally one-tenth) of measured value. In this paper comparison between such rule of the thumb
approach and calculated reproducibility and repeatability of the measuring machine will be
described. Comparison is performed in real work environment with actual products.
Keywords: measuring machine; measuring; repeatability and reproducibility
SADRAJ
3.1. Mostna struktura ............................................................................................................... 8
3.2. Konzolna struktura .......................................................................................................... 10
3.3. Horizontalna struktura .................................................................................................... 10
3.4. Portalna struktura ............................................................................................................ 11
5. MJERNE SONDE ............................................................................................................... 17
5.2. Odreivanje poloaja toke ............................................................................................ 20
5.3. Vrste mjernih senzora ..................................................................................................... 22
5.4. Kontaktna metoda ........................................................................................................... 23
5.4.1. Dodirno-prekidna metoda mjerenja ..................................................................................................... 23 5.4.2. Mjerenje metodom skeniranja ............................................................................................................. 25
5.5. Principi rada sondi .......................................................................................................... 26
5.5.1. Otporno-kinematske sonde .................................................................................................................. 26 5.5.2. Piezo sonde ......................................................................................................................................... 27 5.5.3. Sonde sa mjernim trakama .................................................................................................................. 28
5.6. Beskontaktna metoda ...................................................................................................... 29
6. NAINI PROGRAMIRANJA I UPRAVLJANJA TROKOORDINATNIH MJERNIH
UREAJA ........................................................................................................................... 34
8. EKSPERIMENTALNI DIO ................................................................................................ 42
8.1. Trokoordinatni mjerni ureaj – Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108 ................................ 43
8.1.1. Tehniki podaci Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108 ................................................................................. 44 8.1.2. Mjerna sonda ...................................................................................................................................... 45 8.1.3. Upravljanje Mitutoyo mjernim ureajem ............................................................................................. 47 8.1.4. Program MCOSMOS .......................................................................................................................... 48
8.2. Opis postupka ................................................................................................................. 49
8.3. Rezultati mjerenja ........................................................................................................... 54
9. ZAKLJUAK ...................................................................................................................... 60
10. LITERATURA ............................................................................................................... 62
1. UVOD
Uloga mjerenja u današnjem svijetu kao tehnike djelatnosti od velike je vanosti kako u
podruju proizvodnje tako i u svakodnevnom ivotu. Mjerenje ima bitnu ulogu u proizvodnji
jer se obavlja u gotovo svim fazama razvoja proizvoda, od ideje do krajnjeg proizvoda u
rukama kupca. Kako industrija konstantno napreduje tako se i broj konkurencije poveava, to
ujedno rezultira brim i kvalitetnijim razvojem proizvoda i njegovim plasmanom na trište.
Time što kontrola kvalitete sudjeluje u svakom dijelu izrade proizvoda postala je jedna od
najvanijih dijelova same izrade proizvoda u procesu jer direktno utjee na proizvod.
Osnovna uloga mjerenja u proizvodnji je postizanje kvalitete proizvoda koja se postie
provoenjem mjerenja.
visok stupanj automatizacije,
poveanje zahtjeva za postizanje kvalitete.
Mjerenjem se postie optimizacija proizvodnje, ispitivanja i konstrukcije proizvoda. Cijena
proizvoda direktno je povezana sa optimizacijom proizvodnje, pa je cilj svakog proizvoaa
da zna ako je tehnologija dobra ili treba mijenjati postojeu jer se sve vee uz tonost rada
mjernog ureaja, odnosno odgovor se dobiva korištenjem mjerenja. Prije poetka svake
proizvodnje prethodi faza ispitivanja i analize troškova proizvodnje. Tolerancije u kontroli
kvalitete igraju veliku ulogu, odnosno svakim poveanjem tolerancije smanjuju se troškovi
izrade, pojednostavljuje kontrola i u konanici, pojeftinjuje kontrola. Bespotrebna i skupa
mjerenja treba reducirati i uskladiti sa realnim potrebama ispitivanja proizvoda jer pravim
izborom mjernih sredstava dodatno se smanjuju troškovi izrade proizvoda. Kod optimiziranja
konstrukcije smanjuje se mogunost mijenjanja nekog konstruktivnog rješenja da ne doe do
promjene funkcionalnosti i karakteristika proizvoda. Takoer, u postupku optimiziranja treba
uzeti u obzir tolerancije alata, materijale proizvoda i nakon toga donositi odluke. Oko 90 %
svih mjerenja obuhvaa mjerenje i kontrolu oblika, dimenzija, poloaja i kvalitete površine
proizvoda. Na 80-90 % proizvoda mjere se pravilna geometrija, a ostalih 10-20 % spada u
mjerenja zakrivljenih odnosno sloenih geometrija. Današnja proizvodnja je u velikoj mjeri
automatizirana, pa su i postupci mjerenja automatizirani te se time smanjuje vrijeme izrade
2
proizvoda. Pošto se danas veina proizvoda u cijelosti ne izrauju na jednom mjestu, prisutni
su razliiti uvjeti mjerenja i razliiti mjerni instrumenti te je time mogunost za nastanak
pogreške velika.
mjerenje i kontrolu. Zbog zahtjeva mjerenja sloene geometrije potrebno je primjenjivati
takve mjerne ureaje, odnosno metode koje su preciznije i brzo izvršavaju veliki broj
operacija mjerenja. Kako bi se smanjile pogreške za pojedine proizvode sloenih geometrija,
došlo je do razvoja 3D mjernih ureaja, kojima se omoguuje precizno mjerenje na tono
odreenim uvjetima u relativno brzim vremenskim ciklusima. Metode 3D mjerenja mogu se
podijeliti u dvije grupe koje se dalje dijele u podgrupe kao što je vidljivo na slici 1.
Slika 1. Klasifikacija mjernih sustava [1]
3
Metode 3D mjerenja u openitom smislu definiraju prostorni poloaj trenutno promatrane
objektne toke na površini mjernog objekta relativno u odnosu na mjerni senzor. Postiu se na
nekoliko naina: fizikim kontaktom vrhom kontaktnog ticala mjernog senzora (kao kod
Trokoordinatnih Mjernih Ureaja – TMU, odnosno CMM iz eng. Coordinate Measuring
Machines) i površine mjernog objekta ili preko projiciranja neke vrste energije na mjerni
objekt i analizom povratnog signala (npr. projiciranjem svijetla, ultrazvuka, infracrvenih zraka
ili X-zraka i sl.). [2]
Kod kontaknih metoda, princip je vrlo jednostavan. Za raspoznavanje mjernog objekta preko
raunalnog programa potrebno je ticalom uzastopno doticati površinu mjernog objekta,
kontakt ispravno detektirati i na temelju dostupnih podataka o smjeru i intenzitetu s mjernim
objektom odrediti poloaj mjerne toke. Takorei smjer razvoja kontaktnih senzora dosegao
je vrhunac uvoenjem raunala i adekvatnih mjernih senzora.
Trokoordinatni mjerni ureaji se u današnje vrijeme nazivaju mjerni sustavi koji istovremeno
mjere u tri koordinate. Tradicionalni trokoordinatni mjerni ureaj sa kontaktnim senzorom su
fleksibilni i efikasni u kontroli geometrijskih karakteristika, ali nedostatak im je niska
produktivnost s aspekta brzine mjerenja. Mjerenja se vrše pomou ticala kojim se odreuju
koordinate poloaja toaka, crta i površina. Pomou tih koordinata stvara se numerika slika
površina koje formiraju objekt. Precizniji rezultat mjerenja se dobiva na osnovu veeg broja
mjernih toaka. Odreuje se optimalni broj toaka za zadanu tonost mjerenja uz zadano
vrijeme izvedbe mjerenja.
Kako beskontaktne metode nisu izravan predmet ovog rada, pojašnjene e biti samo pojedine
karakteristike u nastavku. Potrebom za izbjegavanje mjerenja pomou dodira, došlo je do
razvoja beskontaktnih metoda. Takvi sustavi omoguuju istovremeno brza i precizna mjerenja
sloenih oblika te je takoer mogua i kombinacija više mjernih sustava gdje jedan sustav
nadopunjava drugi. Te metode mogu se podijeliti na refleksijske (odreivanje mjernih
objekata frekvencijskim rasponom projiciranog zraenja od 0,01 MHZ (ultrazvuk), preko
podruja mikrovalova (od 10 do 100 GHz), kroz frekvencijsko podruje vidljivog svjetla (od
100 do 1000 THz)) te na transmisijske metode (elektromagnetsko zraenje, odnosno X-zrake
omoguuju odreivanje gustoe volumena u i oko mjernog objekta) koje su štetne za ljudsko
zdravlje i nisu prikladne u mjeriteljskoj primjeni. [2]
4
Prije industrijske ere ljudi su poeli upotrebljavati geometrijske veliine kojima su se
karakterizirali razliiti proizvodi. Od razdoblja prije starog i srednjeg vijeka koristile su se
mjere kao osnova za mjerenja. U 17.st. i 18.st. ljudi poinju pripremati i usvajati jedinicu za
duinu, upotrebljavati pomina mjerila i mikrometre jer dolazi do masovne proizvodnje i
razvoja mjernih sredstava. Prvi profil projektor razvijen je 1920. godine, a prvi pneumatski
mjerni ureaj razvijen je tridesetih godina. Poetkom sedamdesetih razvijaju se elektronski
mjerni ureaji za proizvodna mjerenja. Kasnije se razvijaju sredstva koordinatne metrologije
koja koriste elektronske i optike komponente (Slika 2.1). [3]
Slika 2.1 Razvoj mjerila za proizvodna mjerenja [3]
Modernizacijom mjerne opreme, znaajno mjesto kod mjerenja zauzela je informatika
tehnologija koja je zasluna za mogunost registriranja i skladištenja podataka mjerenja i bez
nje to bi bilo nemogue s obzirom na koliinu podataka.
Istraivanja pokazuju da je razvoj suvremenih trokoordinatnih mjernih ureaja zapoeo
poetkom 1960-ih godina, nadograivanjem dvoosnih mjernih strojeva koji su izumljeni u
1950-ih godinama za razliite vojne obrambene industrije. Jedan izvor navodi da se prvi
koordinatni mjerni ureaj pojavio prvi puta na meunarodnoj strojnoj izlobi alata u Parizu
1959. godine, a izloila ga je britanska tvrtka Ferranti.
5
Smatra se da je prvobitni 2-osni ureaj za mjerenje razvila tvrtka Sheffield Corporation.
Nazvan YZ ureaj, korišten je za mjerenje oklopa hidrogenskih bombi, no zbog tajnosti
operacije malo je podataka o samom ureaju. Zatim, u 1957. godini Moore Tool Company iz
Sjedinjenih Amerikih Drava predstavila je svoj Moore No.3, univerzalni trokoordinatni
mjerni ureaj, poznatiji kao M3. Postoji još nekoliko tvrtki koje tvrde da su one prve
proizvele trokoordinatni mjerni ureaj te se još dan danas ne zna tko je prvi proizveo mjerni
ureaj, no uvelike je pridonio razvoju takvih strojeva. [5,8]
Slika 2.2 Moore No.3 Univerzalni TMU, M3[8]
CMM se brzo razvio s mnogo proizvoaa iz europskih zemalja, SAD-a i Japana, koji su
poeli ulagati novce sredinom 1960-ih godina. Razvojem sonde osjetljive na dodir, koju je
izumio Sir David McMurtry, suosniva Renishaw-a, doveo je do revolucije u
trodimenzionalnom koordinatnom mjerenju, omoguujui automatsko i precizno mjerenje
proizvoda i sklopova. Renishaw dramatino poveava performanse sposobnosti CMM s
uvoenjem raznih poboljšanja kao što su motorizirane glave sonde, automatsku promjenu
sondi i dr. Današnja proizvodnja trokoordinatnih mjernih ureaja iznosi više od 6000 strojeva
godišnje. Renishaw ima glavnu rije u inovacijama i proizvodnji dijelova te u novije doba
nakon dugog istraivanja uvodi 5 osnu tehniku mjerenja koja dramatino smanjuje vrijeme
mjerenja i rezultira poboljšanjem produktivnosti CMM-a.
6
Za ostvarivanje zahtjeva koji se stavljaju pred njih, trokoordinatni mjerni ureaji sa
razvojem metoda prostornog odreivanja mjernih toaka stvorili su nekoliko tipova
konstrukcija TMU-a, koji se razlikuju s obzirom na veliinu predmeta mjerenja, preciznost i u
konanici prihvatljivog ekonomskog rješenja. Na trištu danas postoji velik broj proizvoaa
TMU-a pa tako i velik broj dostupnih tipova konstrukcija i modela TMU-a.
Konfiguracija trokoordinatnih mjernih ureaja ovisi o zahtjevima koje moraju ostvarit:
tonost,
fleksibilnost,
7
Glavni sastavni dijelovi trokoordinatnih mjernih ureaja su:
mjerno postolje izraeno od mramora i keramike (ili legura) zbog temperaturne
postojanosti i otpornosti na trošenje,
tri okomite konstrukcijske osi od kojih svaka ima svoj motor i senzor pozicije te se
nalazi na zranom ili magnetnom leaju kako bi se smanjilo trenje i ‘stick – slip’
efekt,
mjerna glava koja omoguuje dodatno dva stupnja slobode i na nju dolaze razliita
mjerna ticala,
kugla za umjeravanje koja slui za umjeravanje razliitih mjernih ticala,
sustav za skupljanje podataka – dio za upravljanje ureajem, raunalo i software za
pohranjivanje, povezivanje i usporedbu dobivenih rezultata mjerenja [4].
Osnovne konstrukcije trokoordinatnih mjernih ureaja prema kojima se na trištu najviše
dijele i njihova podruja primjene prikazani su u tablici 1.
Tablica 1. Nain konstrukcije trokoordinatnih mjernih ureaja [3]
8
Izvedba konstrukcijske strukture TMU-a u obliku mosta je naješe korištena struktura jer
ona daje najveu preciznost mjerenja, a karakterizira je mjerenje predmeta velikih masa i
dimenzija. Mostna izvedba se moe podijeliti na pominu (pokretnu) i statinu (nepokretnu).
Slika 3.2 prikazuje dijelove ureaja i osi karakteristine za pominu i statinu mostnu
strukturu TMU-a.
Slika 3.2 Shematski prikaz pomine (lijevo) i statine (desno) mostne strukture [5]
3.1.1. Mostna struktura sa pokretnim mostom
Naješe korištena konstrukcija TMU-a je mostna struktura sa pokretnim mostom.
Problem koji se javlja kod ovih tipova TMU-a su boni nosai koji bi se trebali pomicati du
X-osi potpuno sukladno te nedostatak koji se još pojavljuje je oteano postavljanje kvalitetnih
sustava za odašiljanje procesuiranih slika. Karakteristika ovog tipa je stabilnost radne
površine zbog kvalitetnih materijala (granit, keramiki materijali) iz kojeg je izraeno.
Prednost npr. mostne nad konzolnom je manji efekt savijanja horizontalne osi jer se
horizontalna os konzolne strukture uvršuje samo na jednoj strani, a kod mostne na dvije
strane pa se time smanjuje optereenje. Svi pokretni dijelovi lebde na zranom jastuku na
visini od nekoliko milimetara kako bi se minimaliziralo trenje. Sile koje pomiu stupove su
relativno male sa ovom izvedbom konstrukcije. Slika 3.3 prikazuje mostnu strukturu sa
pokretnim mostom odnosno pominu mostnu strukturu.
9
3.1.2. Mostna struktura sa nepokretnim mostom
Kod ovog tipa mostne strukture, most je spojen vrsto na postolje ureaja te se time
dobiva na velikoj krutosti konstrukcije i eliminira problem neusklaenih pokreta bonih
nosaa. Karakteristika ovakve strukture je da daje najpreciznija mjerenja, ali za posljedicu
ovakvog dizajna ima smanjenu brzinu rada zbog potrebe pomicanja teškog radnog stola.
Takoer, postoji i ogranienje teine radnog komada te potreba za dugim vodilicama za
kretanje dugog radnog stola. Centralni pogon senzora je lociran centralno te je pojava
Abbeove greške znatno reducirana.
10
3.2. Konzolna struktura
Izvedba ureaja u konzolnom obliku upotrebljava se veinom za opa mjerenja i vrlo
esto kao ureaje za umjeravanje. Pokretna konzola kree se po nosau naprijed-nazad, a
sonda na stupu se nalazi na nosau koji se kree gore-dolje. Na ovakav tip strukture
omogueno je postavljanje relativno teških komada i ujedno sa tri otvorene strane omoguen
je dobar pristup radnom komadu što u konanici rezultira vrlo brzim vremenima mjerenja.
Nedostatak je savijanje konzole koje predstavlja veliki utjecaj na rezultate mjerenja pa se
korigira primjenom softwera za ispravljanje grešaka.
Slika 3.5 Konzolna struktura TMU-a [3]
3.3. Horizontalna struktura
Horizontalna struktura odnosno struktura TMU-a sa horizontalnom rukom je idealna za
mjerenje automobilskih dijelova jer se ruka kree veinom samo u horizontalnom smjeru. Ima
razliitih izvedbi ovakvog tipa s obzirom na pokretni stol, broj ruku i itd. Veliina radnog
komada utjee na pokretni stol, mjernu brzinu i tonost mjerenja. Prednost svih vrsta TMU-a
sa horizontalnom rukom je najbolji pristup svim stranama radnog komada te velika brzina
mjerenja. Nedostatak je eventualno ograniena tonost koja se korigira preko softwera. Mjerni
ureaji ovakve strukture imaju veliki mjerni volumen, gdje mjerni opseg jedne osi znatno vei
od druge dvije. Dizajn omoguuje mjerni opseg u pravcu due osi do 25000 mm.
Horizontalna struktura TMU-a prikazana je na slici 3.6.
11
3.4. Portalna struktura
Portalna struktura koristi se za mjerenje veoma velikih dijelova (za mjerenja objekata
volumena od 10 m 3 ili veih) te takva struktura dopušta djelatniku da bude u blizini podruja
koje se ispituje. Postolje je sastavljeno od dva fiksna nosaa koja su masivna i na njima se
nalazi sustav za pomicanje du X,Y i Z osi. Horizontalna os je izraena od lakšeg materijala
od ostatka mjernog ureaja, da ne bi došlo do savijanja prilikom mjerenja. Tonost je srednja
ak i za velike mjerne volumene. Meutim, ako se trai velika tonost, troškovi se penju zbog
specijalnih zahtjeva kao što su specijalni temelji i pogonski sustavi.
Slika 3.7 Portalna struktura TMU-a [3]
12
Takoer, ovakvi navedeni tipovi mjernih ureaja izrauju se razliitih veliina, od malih
dimenzija da ih ovjek moe nositi (prijenosni mjerni ureaji) do tako velikih da im je širina
mjernog podruja 6 metara.
Odabir trokoordinatnog mjernog ureaja zavisi o predmetu mjerenja i okolini u kojoj se mjeri.
U tablici 2. prikazani su saeci o gore navedenim strukturama TMU.
Tablica 2. Podaci o strukturama TMU [5]
Tip TMU Preciznost Fleksibilnost Najbolje za mjerenje:
Mostna struktura Visoka Umjerena
trae veliku preciznost
Strukturni dijelovi TMU
Radni stol koji nosi mjerne objekte, stupovi ureaja, klizai i nosa sonde sa sondom su
osnovni strukturni dijelovi koji predstavljaju kostur/bazu mjernog ureaja. Kako ovi elementi
nose predmet mjerenja, sondu i senzore, njihove karakteristike utjeu na cjelokupni mjerni
ureaj. Za postizanje idealnih karakteristika strukturnih dijelova potrebno je zadovoljiti i
osigurati:
Ne postoji materijal koji bi zadovoljio sve navedene karakteristike, ali poznavanje traenih
karakteristika i utjecaja pomae u izboru odgovarajueg materijala. Dimenzionalna stabilnost
je jedna od bitnih karakteristika. Optimalan materijal za radni stol i druge strukturne dijelove
je granit koji daje veliku tonost kad je temperatura konstantna. Kako bi se postigla velika
brzina mjerenja uz dovoljnu tonost, dinamike karakteristike su veoma vane. Odnos krutosti
i teine je mjerilo za dinamike karakteristike te se manja teina i bolja krutost dobiva
odreenim metodama prorauna konstrukcija. Vrlo bitna je i prigušna karakteristika mjernog
ureaja jer mora prigušiti vibracije da bi se osigurala tonost mjerenja. Granit uz dobru
stabilnost ima nizak koeficijent termikog širenja i visok koeficijent provodljivosti što ga ini
još više optimalnim za strukturne dijelove.
Koordinatni sustavi TMU
Mjerenja na koordinatnom mjernom ureaju vrši se u nekom od koordinatnih sustava:
Descartes-ovom, sfernom ili cilindrinom. Korištenjem softwera jednostavno se izmjeri radni
komad, uspostavi vezu koordinatnog sustava mjernog komada i matematiki ga povee u
odnos sa koordinatnim sustavom stroja.
Slika 3.8 Koordinatni sustav stroja i radnog komada [3]
14
odgovarajuim koordinatnim obradnim sustavima od idealnog, koji je dizajniran u
dokumentaciji. Odstupanja se javljaju u pogledu dimenzijskih karakteristika, oblika i
poloaja. Oblik radnog komad moe se opisati njegovim elementima i prostornim poloajem
elemenata, jednih u odnosu na druge. [3]
Slika 4.1 Karakteristike idealne i realne geometrije radnog komada [3]
Idealna geometrija predstavlja idealni oblik radnog komada predvienog dokumentacijom
dizajna proizvoda i izradom u procesu proizvodnje. Izradom radnog komada ne dobije se
komad eljenih dimenzija i oblika. Razlozi za odstupanja od ideala su brojni i razliiti.
Slika 4.2 Idealna i realna geometrija [3]
15
Mjerenjem pojedinanih toaka na površini radnog komada dobiva se stvarni oblik. Slika 4.2
prikazuje tri osnovna principa kako se dobivaju rezultati realne geometrije radnog komada.
Prvo se definiraju toke, odnosno preko programa u raunalu ili preko upravljake palice se
generira redoslijed mjerenja toaka prema ve odreenom koordinatnom sustavu. Zatim se
mjeri prema zadanim koordinatama, odnosno odreuju se toke u prostoru pomou mjerne
sonde na kojoj se nalazi ticalo. Kombiniranjem dobivenih koordinatnih toaka i odreenih
toaka idealnog komada u prvom koraku dobivaju se rezultati evaluacijom odnosno
vrednovanjem te se u mjernom izvještaju dobiva jasnija slika odstupanja dimenzija.
Trokoordinatni mjerni ureaj koristi senzor da odredi (izmjeri) poloaj, odnosno locira
poloaj toke na radnom komadu. Izmjera odreenih veliina nije mogua samo na osnovu
izmjerenih koordinata. Koristi se analitiki model radnog komada kako bi se odredili potrebni
parametri (duina, ugao, itd.).
16
generiranje skupa izmjerenih toaka primjenom mjerenjima point-to-point (od
toke do toke) na stvarnom radnom komadu pomou koordinatnog mjernog
ureaja,
procjena potrebnih karakteristika radnog komada, tj. kombiniranje elemenata
idealne geometrije i njihova usporedba sa dimenzijama i tolerancijama sa
tehnikog crtea (ili 3D modela) radnog komada. [3]
Za funkcioniranje mjernog sustava i opisano mjerenje na osnovu koordinatne metrologije
potrebni su sljedei elementi:
mehanika struktura koja ima tri osi i senzore za pomicanje,
sistem sondi za detekciju mjernog komada u svim pravcima,
kontrolna jedinica,
daljinsko upravljanje,
raunalo sa dodatnom opremom i softver za proraun i prikaz rezultata. [3]
17
Cilj mjerne sonde u geometrijskom mjeriteljstvu je detektiranje poloaja toke na površini
predmeta mjerenja i odreivanje meusobne povezanosti pozicija. Mjerne sonde predstavljaju
najvaniji dio cijelog mjernog ureaja. One su osnovni, izvršni dio, bez kojeg mjerni ureaj
ne moe raditi. Zadatak sondi prema definiciji glasi: „Detekcija udaljenosti površine mjernog
objekta (ili jedne toke na površini) od zadate referentne toke u odreenom mjernom
opsegu“ [3]. Sonde se dijele na razliite principe, a osnovna podjela je na kontaktne i
beskontaktne. U odnosu na svoju referentnu toku mogu obavljati funkciju u jednom, dva ili
tri pravca.
Veina mjernih sondi se sastoji od tri komponenata, a to su:
glava sonde,
sonda i
mjerno ticalo (jedno ili više njih) [3].
Slika 5.1 Osnovni dijelovi mjernih sondi [3]
Glave sondi mogu biti fiksne i artikulacijske (koje se prilagoavaju mjernom objektu). Kod
dodirno-prekidnih sondi ili kod sondi za skeniranje, sonda pomou senzora detektira kontakt
sa površinom mjernog objekta i šalje signal kontakta (informacije o pomicanju mjernog
18
ticala). Mjerno ticalo predstavlja vezu izmeu sonde i mjerne površine. Vrh mjernog ticala je
u obliku kugle, a izrauje se obino od rubina (drugi najtvri mineral poslije dijamanta na
Mohsovoj skali), jednog od najtvrih poznatih materijala. Ostali dijelovi mjernog ticala
izrauju se od nehrajueg elika, volfram karbida, keramike ili karbonskih vlakana. Moraju
se osigurati karakteristike gustoe i krutosti mjernog ticala. Kalibracija se izvodi na
keramikoj kuglici svakih nekoliko dana ili ovisno o broju mjerenja. Mjerenja i kalibracije su
jako ovisne o temperaturi u kojoj se nalazi mjerni ureaj zbog toga jer materijali od kojih su
izraeni se proširuju na veoj temperaturi i time znatno utjeu na rezultate mjerenja. Postoji
veliki broj mjernih ticala te ujedno i velik broj karakteristika i razlika izmeu njih.
U poetku su se koristila kruta ticala konusnog oblika, koja su se za potrebe mjerenja provrta
spuštala dok ticalo nije zapelo za rub provrta. Problem kod takvih mjerenja je nastao pri
pojavi provrta raznih veliina, što je izazvalo korištenje veeg broja konusnih ticala (te
zamjene ticala prilikom mjerenja). Takoer moralo se paziti da se ne pojave ikakve vibracije
tijekom oitanja podataka. Drugi problem pri korištenju tvrdih i krutih ticala je nemogunosti
upravljanja silom mjerenja. Zbog toga je dolazilo do skretanja mjernog ticala sa zadane
putanje, što je dovelo do velikih grešaka u mjerenju. Prvo dodirno ticalo je izumio David
McMurtry 1972. godine (osniva tvrtke Renishaw). Na temelju saznanja o jednostavnosti i
tonosti mjerenja dodirnih ticala, razvijeni su razni oblici mjernih ticala koja olakšavaju
mjerenja nepravilnih oblika mjernih objekata. [4]
Slika 5.2 Sonda osjetljiva na dodir, 1973.g., Courtesy Renishaw [18]
19
Mjerna sonda, odnosno mjerno ticalo (kod prekidno kontaktnih sonda – naješe
primjenjivanih u praksi) koja je krajnja komponenta, vrši kontakt vrhom samog ticala i
komada koji se mjeri. Kad ticalo dotakne predmet mjerenja, sonda informaciju šalje raunalu i
preko softwera uita trenutnu poziciju mjernog ticala odnosno poziciju mjernog objekta.
Softwer na raunalu prema dobivenoj informaciji pozicije toke i prema slici 5.3, raspoznaje
geometrijske veliine u odnosu na minimalan broj traenih toaka za specifian oblik te
pomou odreenih algoritama dobiva krajnju vrijednost.
Slika 5.3 Prikaz potrebnih toaka za dobivanje oblika [5]
Sa ovakvim navedenim nainom mjerenja mjere se jednostavniji oblici zbog potrebe manjeg
broja izmjerenih pozicija toaka. Kod skeniranja, gdje se mjerno ticalo za vrijeme mjerenja
odrava u stalnom kontaktu sa radnim komadom, mjere se uglavnom sloeniji oblici tj.
sloenije geometrije te se dobiva vei broj podataka o površini. Dobivenim podatcima se
moe vršiti detaljnija kontrola oblika, tolerancija mjernog predmeta nego kod dodirno-
prekidnih sonda. Zbog veeg broja izmjerenih toaka mjerna nesigurnost je manja. Skeniranje
je puno sporije nego princip dodirno prekidnim ticalom pa se skeniranje preporuuje za
mjerenje sloenih dijelova kao što su: zupanici, rotori, propeleri ija je kontrola teško
izvodljiva dodirno-prekidnim sondama.
5.2. Odreivanje poloaja toke
Odreivanje poloaja mjerne toke na površini radnog komada sa mjernim ticalom moe se
podijeliti na:
Zadatak namještanja površinske toke koja se eli izmjeriti je pomicanjem mjernog stola ili
mjerne glave s ticalom unutar mjernog volumena ureaja. Izbjegavanje mogunosti
neplaniranih sudara je jedan od zadataka koje treba izvršiti. Potrebno je utvrditi udaljenost
mjernog objekta i dijelova mjernog sustava za povoljno mjerenje. Kod optikih mjernih ticala,
traena toka se mora nalaziti unutar vidnog polja senzora. Dodirna ticala pomiu ticalo za
odreenu vrijednost do detekcije kontakta sa mjernom površinom objekta.
Ispitivanje
Ispitivanje zapoinje dovoenjem mjernog ticala u podruje mjernog volumena. Izvodi se na
nain da se mjerno ticalo i mjerni objekt dovedu u meusobnu fiziku vezu. Veza ovisi o
kojem se tipu mjernog sustava radi, a obino je mehanike ili optike prirode. Kod
mehanikog ispitivanja, krutim mjernim ticalom se dodiruje mjerni objekt sa odreenom
silom. Potrebno je tu silu ograniiti da ne bi došlo do elastinih i plastinih deformacija
mjernog objekta i ticala. Da se sprijei bilo kakva deformacija, kod detekcije pozicija toaka,
mjerni objekt se mora jednolikom dodirnom silom suprotstaviti mjernom ticalu. Optiko
ispitivanje se vrši emitiranjem svjetlosti te dovoenjem u interakciju sa mjernom površinom i
analizom svjetlosti koja se odbija prema natrag.
Mjerenje
udaljenost izmeu referentne toke mjernog sustava i odreene pozicije na mjernom komadu.
Smanjenjem udaljenosti izmeu referentne toke i mjerne toke na što je mogue manje jer se
time povea rezolucija i ponovljivost.
21
Procjenjivanje
Kod procjenjivanja poloaja mjerne toke, vektorska udaljenost izmeu referentne toke
mjernog sustava i mjerne toke se mora dodati vektoru pozicije referentne toke u
koordinatnom sustavu mjernog ureaja (slika 5.4).
Slika 5.4 Vektorski dijagram mjerenja površinske toke mjernog objekta [4]
Cjelokupni proces mjerenja trokoordinatnim mjernim ureajem moe se smatrati kao
transformacija realne pozicije p neke toke na mjernoj površini u njezinu mjernu poziciju rm
u koordinatnom mjernom sustavu mjernog ureaja. Postupak se moe podijeliti na mjerenje
toke i mjerenje mjernog ticala. Podproces mjerenja toke je transformacija vektora pozicije
toke p u poziciju centra mjernog ticala unutar koordinatnog sustava ticala rp, uz dodavanje
korekcijskog vektora vrha ticala b. Dodavanjem vektora pozicije mjernog ticala, dobivamo
koordinate mjerne toke unutar koordinatnog sustava ureaja. [4]
22
5.3. Vrste mjernih senzora
Postoje razne vrste mjernih sondi kod mjernih ureaja koji koriste barem jednu
tehnologiju sondi, tj. senzora koji „osjeti“ mjerni komad. Najjednostavnija podjela mjernih
senzora je na kontaktne i beskontaktne senzore.
Slika 5.5 Vrste senzora [1]
Dvije vrste naješih senzora prikazani su na slici 5.5. Kontaktni senzor prikazan je na lijevoj
strani slike, a na desnoj prikazan je beskontaktni senzor.
Kod kontaktnih metoda ticalom postoji dodirno prekidni nain mjerenja. Postupak je takav da
se napravi kontakt ticala sa površinom mjernog komada, vrati se natrag i premjesti na drugu
lokaciju i taj postupak ponavlja u odnosu koliko je toaka potrebno izmjeriti. Drugi nain
kontaktnih metoda je skenirajui nain, kod kojeg se skenira površina komada tako da se
ticalo dovede u fiziki dodir sa mjernim objektom i nastavlja se gibati du njegove površine
ime se podaci kontinuirano prikupljaju. Za beskontaktne senzore ne postoji fiziki kontakt sa
mjernim komadom. Postoji veliki broj beskontaktne tehnologije u svijetu koja koristi kamere
kako bi se dobile optike slike. Laser koriste optiku i detektore za „hvatanje“ laserske zrake
koja se odbija od površine komada. Neke tehnologije rade na principu rezonancije ili
spektralne analize svjetlosti kojima se odreuje udaljenost izmeu sonde i površine mjernog
komada. Kombinacija kontaktnih i beskontaktnih metoda na jednom mjernom ureaju ine
višesenzorni mjerni ureaj na kojem se nalazi u veini sluajeva kontaktna sonda sa ticalom,
laserski i video senzor.
Kontaktne metode koje se najviše upotrebljavaju u praksi obino funkcioniranju na
principu okidaa (eng. touch-trigger) i analogne (proporcionalne) mjerne glave koje mjere
otklon ticala za vrijeme kontakta, slika 5.8. Dodirno-prekidne sonde su namijenjene za
mjerenje pojedinanih toaka. Uobiajeno na vrhu kontaktnog tijela nalazi se ticalo sa vrhom
u obliku sfere. Princip je takav da nakon kontakta ticala sa površinom mjernog objekta,
mjerna sonda šalje signal (informacije) koordinatnom mjernom ureaju. Nakon toga mjerni
ureaj pozicionira mjerni objekt u odnosu na referentni te izvrši kalkulaciju. Slika 5.6
prikazuje da se malim brojem izmjerenih toaka moe dobiti dobre rezultate mjerenja.
Slika 5.6 Mjerenje unutarnjeg provrta i cilindra [3]
Dodirno-prekidne sonde mogu se nalaziti u dva stanja tokom radnog ciklusa:
stacionarno stanje (eng. seated), kada ticalo nije u kontaktu sa mjernim objektom
nestacionarno stanje (eng. unseated), mjerno ticalo je u dodiru sa mjernim
objektom i nije u ravnotenom stanju
Kad ticalo doe u neravnoteno stanje, sonda detektira kontakt i šalje signal u sustav
koordinatnog mjernog ureaja da registrira toku, prikazano na slici 5.7. Problem kod
kontaktnog mjerenja je odreivanje trenutka dodira ticala sa površinom mjernog objekta, kao i
trenutka oitanja poloaja mjerne pozicije. Vrijeme ostvarivanja kontakta je iznimno kratko,
ve i kod malih brzina dolazi do velikih kontaktnih sila u mjernoj glavi koje mogu
24
mjernog objekta od ostalih efekata nastalih uslijed vibracija i dinamikih efekata promjene
smjera i brzine gibanja, rješava se praenjem vremena trajanja kontakta i iznosa sile
ostvarenog kontakta.
Slika 5.7 Radni ciklus dodirno-prekidne sonde [3]
Kod „trigger“ izvedbi mjernih glava, signal u trenutku ostvarenog kontakta ticala s površinom
mjernog objekta ostvaruje se preko otklona unutrašnjih kontakta na koje je oslonjen korijen
ticala. A kod analognih glava informacija o trenutku uspostave kontakta sa površinom
mjernog objekta ostvaruje se induktivnim ili optikim sustavima. [2]
Slika 5.8 Princip djelovanja „trigger“ i analogne mjerne glave [2]
Trigger i analogna mjerna glava pripada podjeli prema nainu detektiranja kontakta ticala sa
površinom. Danas postoje i izvedbe kontaktnih glava koje omoguuju rotaciju glave i ticala
25
kontakta koriste se razni fiziki principi kao što su: elektrini, piezoelektrini i otporniki
prekidai.
5.4.2. Mjerenje metodom skeniranja
Dovoenjem ticala u fiziki dodir sa mjernim objektom i nastavljanjem gibanja du
njegove površine ime se podaci o mjerenju kontinuirano prikupljaju naziva se skeniranje.
Konstantnim pomicanjem mjernog ticala u sva tri pravca prikuplja se puno više podataka
nego kod metode toka po toka. Naspram dodirno-prekidne, bra je i temeljitija, ali potrebna
je i sloenija kontrola kako bi se odrao kontakt izmeu površine i ticala zbog raznih
odstupanja oblika. Omoguena je detaljnija kontrola forme, oblika i tolerancija mjernog
objekta te je time mjerna nesigurnost manja. Ovakva metoda koristi se za mjerenje sloenijih
oblika i mjernih objekata. Nedostatak je pojava trenja izmeu mjernog ticala i radnog
komada.
Slika 5.9 Metoda skeniranja [3]
Postoje skeniranje sa otvorenom petljom (eng. open loop) i zatvorenom petljom (eng. closed
loop). Skeniranje sa otvorenom petljom je tehnika skeniranja sa velikom brzinom koja se
koristi za ve poznate i definirane oblike. Druge tehnika se koristi za nedefinirane geometrije
površina. Tipian broj toaka kod dodirno-prekidne metode je 10 mjernih toaka, a kod
skeniranja je minimalan broj od 100 mjernih toaka. Ne samo da je skeniranjem vei opseg
mjerenja u odnosu na dodirno prekidne metode nego se dobiva i manja mjerna nesigurnost,
slika 5.10.
Slika 5.10 Usporedba mjerenja dodirno-prekidnom metodom i metodom skeniranja [3]
5.5. Principi rada sondi
Otporno-kinematske sonde (eng. kinematic resistive) rade na jednostavnom principu,
kretnjom sonde prema radnom komadu dok se ne ostvari fiziki kontakt. Mehanizam se
sastoji od tri kontakta povezana u strujni krug koji se odravaju u ponovljivoj poziciji pomou
opruge, slika 5.11. Ovakav tip sondi je ustvari ve navedeni u ovom radu, a spominju se kao
„trigger“ mjerne glave.
Slika 5.11 Otporno-kinematske sonde i sile pri procesu mjerenja [3]
27
Uslijed ostvarenog kontakta javlja se kontaktna sila Fc koja stvara moment oko predmeta
mjerenja te se mu suprotstavlja sila u opruzi Fs. Poveanjem kontakta, kontaktna sila raste i
stanje ravnotee se dostie kada se izjednai moment Fc x L i Fs x R, slika 5.11. Dolazi do
poetka odvajanja kontakta (jednog ili više), time se i otpor mijenja u strujnom krugu, jer se
kontaktna površina smanjuje uslijed razdvajanja. Generiranje signala dolazi kada otpor prijee
unaprijed zadanu granicu, slika 5.12.
Slika 5.12 Generiranje signala kod otporno-kinematskih sondi [3]
Kod mjerenja u z pravcu (npr. mjerenje ravne površine), kontaktne sile su puno vee nego
kada se mjerni u xy ravnini zbog toga jer je mjerno ticalo izloeno pritisku, a ne savijanju.
5.5.2. Piezo sonde
Piezo sonde zasnivaju svoj rad na piezo efektu, slika 5.13. Elementi za detekciju kontakta
sa radnim komadom su jako osjetljivi, njihovom upotrebom mogue je detektirati akustine
vibracije nastale sudarom mjernog ticala i radnog komada, prijenosom preko mjernog ticala
do piezo senzora u svrhu detektiranja kontakta. Ove sonde karakterizira velika brzina zvuka
signala kroz metal i keramiku mjernog ticala i sonde, a brzina se kree oko 800 m/s. Kod
ovakvih sondi kontaktne sile su vrlo niske. Nedostatak je da zbog visoke osjetljivosti
elemenata mogua generacija signala zbog mehanike vibracije u normalnom radu, ak i zbog
buke iz okoliša pa je stoga potrebno imati sustav za potvrivanje kontakta.
28
Piezo sonde pruaju maksimalnu preciznost u podruju dodirno-prekidnih sondi ali ipak imaju
nedostatke tako da zbog toga primjena im je ipak ograniena.
5.5.3. Sonde sa mjernim trakama
Sonda sa tri silikonske mjerne trake je sonda koja registrira kontaktnu silu u tri pravca.
Izlazi ove tri trake se obrauju i pomou elektronike sabiru te se izrauna ukupni vektor sile.
Signal kontakta se generira kada vektor sile dostigne neku zadatu vrijednost.
Slika 5.14 Sonda sa mjernim trakama (Renishaw TP7M) [3]
29
Mjerne trake su pozicionirane tako da registriraju silu u bilo kojem pravcu kontakta mjernog
ticala. Trake su vrlo osjetljive i mogu reagirati pri tako malim silama koje ak i ne uzrokuju
pomicanje mjernog ticala. Elektronika je neophodna kod ovakvih sonda zbog toga da
eliminiraju lane kontakte uzrokovane vibracijom itd. Sonde sa mjernim trakama imaju dug
vijek trajanja jer su podlone trošenju ak i na više od 10 milijuna dodirnih kontakata.
5.6. Beskontaktna metoda
Osim opisanih dodirnih metoda mjerenja postoje razliiti principi u koordinatnoj
metrologiji pomou kojih se ostvaruje mjerenje bez fizikog kontakta sa radnim komadom.
Njihov rad naješe je zasnovan na nekom optikom principu. Prednosti optikih sondi u
odnosu na kontaktne su u samoj osnovi rada, tj. nema fizikog kontakta sa radnim komadom
te se samim tim izbjegavaju i mogunost njegovog ošteenja. Kod optikih sondi se
kontaktnim tijelom moe smatrati laserska ili svjetlosna zraka ije dimenzije omoguavaju
mjerenje karakteristika koje ne bi bile mogue sa kontaktnim ticalom uslijed problema sa
dimenzijama samog ticala naspram oblika koji se eli izmjerit. [3]
Današnje optike sonde za koordinatne mjerne ureaje uglavnom rade kao skenirajue sonde,
premda postoje i dodirno-prekidne varijante. Uglavnom rade sa laserskim izvorom svijetla,
imaju mogunost znatno breg prikupljanja podataka o nekoj površini nego dodirne sonde.
Nedostatci su velika ovisnost o karakteristikama površine, npr. reflektivnost, teksturi i
površinskoj hrapavosti. Veliki utjecaj na rezultat mjerenja ima i sredina, zato jer svijetlost
kroz zrak ovisi o njegovim parametrima, kao npr. pritisak, temperatura, vlanost. [3] Pojedine
metode beskontaktnog principa mjerenja biti e opisane u daljnjem sadraju završnog rada.
30
Višesenzorni koordinatni mjerni ureaj je ureaj koji uz kontaktni senzor koristi i više
vrsta ostalih mjernih senzora. U ovim sustavima kombiniraju se razliite vrste tehnologija,
kontaktne i beskontaktne. Senzori se razlikuju ovisno o veliini i tipu mjerne znaajke na
objektu te i mogunosti mjerenja više mjernih toaka u kratkom vremenu. Zbog
kompleksnijih dijelova koje sa jednim senzorom je nemogue izmjeriti i eljom za
smanjenjem troškova proizvodnje uvedena je višesenzorna tehnologija. Smanjenje troškova se
odnosi na troškove za prostor, rukovanje sa dijelovima, transport izmeu strojeva, radnike i
vrijeme. Svaki navedeni tip sonde ima neka ogranienja primjene, svoje prednosti i
nedostatke te nijedna nije idealna za svako mjerenje.
Slika 5.15 Višesenzorni princip rada [1]
Slika 5.15. prikazuje mogunost korištenja više vrsti senzora za mjerenje razliitih oblika
površine: a) mehaniko ticalo, b) vlaknasto ticalo, c) laser, d) fotogrametrijsko mjerenje, e)
auto fokusiranje, f) projekcijski skener [1]
31
Mehaniko ticalo
Mehanika (dodirna) ticala su naješe korištena ticala, a sastoje se od pet elemenata u svrhu
postizanja veze sa mjernim komadom:
Mjerna kugla – mehanika interakcija s mjernim komadom. Visoke krutosti, niskog
trošenja i izraena od rubina.
Odašilja – prijenos mjernih informacija (sile) do senzora. Visoka krutost, mala
toplinska provodljivost i masa. Izrauje se od elika, keramike ili plastike pojaane
vlaknima.
Senzori za procjenu mjernih informacija – detekcija kontakta, mjerenje smjera i
pomaka.
Vlaknasto ticalo
Okidni senzor za optike mjerne projektore koji se koristi kod 2D mjerenja (trea os se moe
podesiti, ali se ne moe mjeriti). Tanko stakleno vlakno pokupi svjetlosni signal iz snopa
zraka iz projektora i usmjeri ga u fotomultiplikator. Pomicanjem objekta kroz snop zraka, rub
objekta stvara prijelaz svijetlo-tamno ili obrnuto. [4]
Laser
Sonde koje rade na principu laserske triangulacije spadaju u optike sonde i u grupu
beskontaktnih senzora. Laser i mjerenje video sondom su dva najpoznatija beskontaktna
mjerenja. Princip mjerenja se zasniva na usmjeravanju laserske zrake na površinu radnog
komada kroz optiki sustav. Reflektirana svjetlost tj. odbijena zraka oitava se pomou
senzora te se izraunava pozicija mjerne toke. Koristi se za manje zahtjevne mjerne zadatke,
za skeniranje površine slobodnog oblika i radnih komada od mekših materijala. Mogue je
projicirati toku, ali i liniju koja se „raširi“ i projicira obliku linije na površinu pomou
odreenih senzora. Višelinijski senzori sadre više projiciranih linija pod uglom od 120
stupnjeva kako bi se mjerni objekt mogao izmjeriti iz jednog prolaza umjesto iz više njih.
Udaljenost sonde i površine moe biti 50 mm sa odreenim mjernim opsegom od 10 mm.
32
Slika 5.17 Senzor sa projiciranjem laserske linije (lijevo) i višelinijski senzor (desno) [3]
Video sonde
Koriste se kao vizijski senzori koji pomou CCD kamere prikupljaju informacije o mjernom
objektu. Video ticala upotrebljavaju dva principa, detekciju bridova i autofokusiranje. U
odnosu na koordinatni sustav mjernog ureaja, koordinatna toka u x-y ravnini se detektira
putem bridova, a u smjeru z osi putem autofokusiranja.
Slika 5.18 Video senzor [3]
33
Pripada skupini beskontaktnih senzora koje koristi komponente vrlo sline video ticalima.
Du optike osi, slika s oštrim rubovima e se dobiti samo iz odreenog poloaja senzora [4].
Kontrast se koristi kao parametar za odreivanje fokusa. Pomicanjem senzora du optike osi
podešava se kontrast slike. U toki u kojoj se podudaraju fokalna površina i površina objekta
postie se najvei kontrast. Najvei nedostatak je podešavanje udaljenosti ticala i mjerne
površine, što jako usporava proces mjerenja.
3D ticalo
Ovakav tip ticala moe se podijeliti na više tehnika. Na lasersku tehniku proširenu sa
raspršenjem laserskog snopa pomou pokretnog zrcala (slika 5.19.a). Sljedea je rubna
tehnika (slika 5.19.b), tehnika koja se takoer zasniva na principu triangulacije. Princip je isti
kao i kod lasera, samo se prugasti uzorak projicira na mjernu površinu. Za postizanje bolje
rezolucije, projiciraju se razliiti uzorci na mjernu površinu i meusobno se usporeuju. Trea
tehnika je fotogrametrijska tehnika (slika 5.19.c), a zasniva se na oitavanju površine iz dva
razliita smjera pomou dva vizijska senzora. Zadnja tehnika zasniva se na pomicanju
interferometra bijelog svjetla (slika 5.19.d) du optike osi. Zatim se razliitim principima
odreuje broj mjernih toaka dobivenih svakim pomakom senzora.
Slika 5.19 Tehnike 3D ticala [4]
34
TROKOORDINATNIH MJERNIH UREAJA
Program (eng. Software) za analizu i programiranje mjerenja je neophodni dio
trokoordinatnih mjernih ureaja, koji ujedno osigurava efikasnost i ekonominost upotrebe
mjernog ureaja. Moderni koordinatni mjerni ureaji moraju ispuniti široke mjerne zahtjeve i
razliite kompleksnosti. Zbog toga postoji i široki spektar naina rada i programiranja sa
programom mjernog ureaja, koji još ovisi i o razliitim kvalifikacijama operatera. Postoje
razliiti naini rada sa CMM programom, a moe se izvoditi na raunalu ili preko touch
screen-a. Preko programa omogueno je programiranje pomou menija u kojem svaka
funkcija (mjerenje geometrijskog oblika, kvalifikacija sonde, poloaj koordinatnog sustava,
itd.) predstavljena ikonama na ekranu, a mogu se ureivati i naknadno podešavati.
Nain programiranja moe se podijeliti na dva naina:
Off-line (neizravno) programiranje
Online (izravno) programiranje
Kod ovakvog naina programiranja, mjerni ureaj i raunalo nisu meusobno povezani.
Mjerenje se izvršava na simulaciji, a ne na stvarnom mjernom ureaju. Koristi se tehniki
crte ili CAD model mjernog komada u programu koji simulira mjerenje uz prikaz mjernog
objekta, mjernog postolja i mjernog ticala, te je s time off-line programiranje znatno
pojednostavljeno. Naredbe kod off-line programiranja su identine kao i kod online
programiranja. Programiranje zapoinje otvaranjem programa, zatim otvaranjem CAD
modela, odreivanjem pozicije modela u volumenu mjernog ureaja te simulacijom izvoenja
mjerenja. Za stvarno mjerenje potrebno je povezati raunalo sa mjernim ureajem odnosno
prebacivanjem programa iz off-line moda u online nain rada.
Online programiranje
Za razliku od off-line programiranja, u ovom nainu programiranja, mjerni ureaj i
raunalo su meusobno povezani. Mjerni komad postavlja se na mjerno postolje te se mjerno
ticalo dovodi pomou upravljake palice u kontakt s predmetom mjerenja. Program zapisuje
koordinate dodirnih toaka i slui za usporedbu dobivenih mjerenja i izraun nekih drugih
35
znaajki. eljeni podatci se mogu ispisati nakon završetka mjerenja u obliku mjernog
izvještaja. Program se moe izvršavati na tri naina:
Runi nain rada (eng. Manual mode) se upotrebljava kod jednokratnih mjernih
ispitivanja. Operater pomou upravljake palice upravlja sa mjernim ticalom i uzima
mjerne (dodirne) toke, u tom sluaju raunalo osigurava podatke, a program slui za
ispis traenih mjernih podataka.
Automatski nain rada (eng. Automatic mode) se koristi kada treba uzeti više dodirnih
toaka da bi se uštedjelo na vremenu. Program prema procjeni uzima mjerne toke koje
bi mogle dati najtonije rezultate.
Programski nain rada (eng. Programming mode) se u praksi najviše koristi. U ovom
nainu rada, mjerni ureaj uzima mjerne toke na istim mjestima koje je operater izabrao
runim nainom rada i spremio kao program mjerenja. Razlika izmeu automatskog i
programskog je da kod automatskog mjerni ureaj „sam“ odabire putanju mjerenja, dok
kod programskog naina rada ureaj slijedi putanju odreenu u programu.
Upravljanje trokoordinatnih mjernih ureaja
Fiziko pomicanje mjernog ticala po koordinatnim osima mjernog ureaja i
uspostavljanja kontakta sa predmetom mjerenja. Zapisivanje informacija o kontaktu u
digitalnom obliku koje operater izraunava dalje runo.
Runo upravljanje potpomognuto raunalom za obradu podataka
Fiziki se pomie mjerno ticalo, a raunalo slui za pohranu i usporedbu podataka te
izraun odreenih znaajki ili preraunavanja mjernih jedinica.
Motorno upravljanje potpomognuto raunalom za obradu podataka
Elektrini motori slue za pomicanje ticala du koordinatnih osi upravljanih pomou
upravljake palice. Raunalo pohranjuje podatke i slui za daljnju obradu.
Direktno upravljanje raunalom
Mjerno ticalo se pomie pomou programa na raunalu. Postavljanje mjernog komada
na postolje, pokretanje programa koji automatski vrši mjerenje i izraunava odreene
znaajke. Ovakav nain je potpuno programibilan i vrlo je slian upravljanju CNC
strojeva.
36
7. PROCJENA SPOSOBNOSTI MJERNOG SUSTAVA
Mjerenje je danas neizostavan faktor tokom izrade novog proizvoda, zbog toga jer
mjerenjem dobivamo uvid u stvarne dimenzije proizvoda. Mjerenja nisu savršena zbog
djelovanja sluajnih utjecaja (trenutna promjena temperature, tlaka, vlage, nesavršenosti
ureaja ili neiskustvo mjeritelja), a tako i zbog ogranienih mogunosti korekcije sustavnih
djelovanja (promjena karakteristike instrumenta izmeu dva umjeravanja). Mjerna
nesigurnost je posljedica upravo tih djelovanja. Mjerna nesigurnost je parametar koji opisuje
rasipanje vrijednosti koje se pripisuju mjerenoj veliini uz odreenu vjerojatnost, a pridruen
je rezultatu mjerenja. Rije „nesigurnost“ znai sumnju, u najširem smislu „mjerna
nesigurnost“ znai sumnju u valjanost mjernog rezultata [6]. Okolina u kojoj se provodi
mjerenje moe biti od velikog znaaja za rezultate mjerenja. Ako dolazi do promjene
temperature, vlanosti i drugih faktora, pouzdanost i ponovljivost rezultata e biti narušena, a
time i tonost mjerenja. Greške koje uzrokuju mjernu nesigurnost mogu biti okarakterizirane
od strane operatera koji vrši mjerenje.
Izvori mjerne nesigurnosti su:
nepotpuna definicija mjerene veliine,
uzimanje uzoraka mjerene veliine nije reprezentativno,
neodgovarajue poznavanje uinaka okolišnih uvjeta za mjerenje,
osobna sustavna pogreška oitavanja mjerila,
nedovoljno razluivanje ili osjetljivost mjerila,
netone vrijednosti mjernih etalona ili referentnih tvari,
netone vrijednosti konstanti koje se rabe u proraunima itd. [13].
Standardni mjeriteljski uvjeti kod mjerenja sa trokoordinatnim mjernim ureajem u
procesu mjerenja moraju biti kontrolirani i konstantni što se tie okolišnih uvjeta
(temperatura, tlak zraka, vlanost zraka, vibracije, itd.). Predmet mjerenja i ureaj moraju biti
ujednaeni sa tim uvjetima prije mjerenja jer utjecaj tih faktora iznimno utjee na rezultate
mjerenja. Standardni mjeriteljski uvjeti glase: tlak zraka p = 101 325 Pa, temperatura T = 20
°C i relativna vlanost zraka koja iznosi 58 %. Uz navedene uvjete potrebno je obratiti panju
na neistoe na predmetu mjerenja, prašinu, vibracije i nepotrebne kretnje operatera za
vrijeme mjerenja kako se ne bi poremetili uvjeti.
37
Termin „mjerna preciznost“ se odnosi na sve što karakterizira preciznost mjernog
rezultata odnosno pouzdanost mjernog rezultata. Mjerna preciznost je bliskost slaganja
izmeu izmjerenih vrijednosti veliine dobivenih ponovljenim mjerenjima na istim ili slinim
predmetima pod utvrenim uvjetima [6]. Drugim rijeima, preciznost je izraz za stupanj
meusobnog podudaranja rezultata neovisnih ponovljivih mjerenja. Standardno odstupanje,
varijanca ili koeficijent promjene pod utvrenim mjernim uvjetima su naini izraavanja
mjerne nepreciznosti.
Slika 7.1 Tonost i preciznost [6]
Bliskost pravoj mjeri ili nekoj prihvaenoj vrijednosti naziva se tonost. Slika 7.1 nam
prikazuje da izjava „rezultati su precizni“ u praksi ne znae da su automatski rezultati toni.
Slika 7.2 Preciznost u uvjetima ponovljivosti i obnovljivosti [6]
38
karakteristike u istim mjernim uvjetima koji ukljuuju:
isti mjerni postupak,
isto mjerno mjesto,
= 5,15 ×
2 (1)
Ponovljivost (eng. Repeatability) se oznaava sa oznakom EV (eng. Equipment Variation), a
predstavlja varijaciju opreme.
2 – empirijski faktor koji povezuje procijenjeno standardno odstupanje i raspon rezultata
mjerenja, u funkciji je broja ponovljenih mjerenja m i broja raspona g (tablica 3.) [11].
g = broj dijelova (uzoraka) broj mjeritelja
∑ – suma svih odstupanja
Slika 7.3 Ponovljivost [6]
Ponovljivost u najveoj mjeri odreuje utjecaj mjerila u varijaciji mjernog sustava. Mjerna
vrijednost ponovljivosti r je vrijednost unutar koje se moe oekivati da lei razlika izmeu
dvaju pojedinanih rezultata mjerenja dobivena uz uvjete ponovljivosti, uz vjerojatnost od 95
% [11].
39
Obnovljivost je rasipanje rezultata mjerenja dobiveno od strane veeg broja mjeritelja pri
višestrukom mjerenju iste karakteristike na istim dijelovima uz korištenje istog ili razliitog
mjernog instrumenta i mjernih postupaka [6].
= √(5,15 × 0
2 )2 − (5,15 ×
Obnovljivost (eng. Reproducibility) se oznaava sa oznakom AV (eng. Appraiser Variation),
a predstavlja varijaciju mjeritelja.
(4)
2 – faktor u funkciji broja mjeritelja m i broja raspona g (tablica 3.). Broj raspona g u ovom
sluaju je jednak 1 [11].
R0 – razlika najvee i najmanje aritmetike sredine svih rezultata svih mjeritelja
n – broj dijelova
Obnovljivost u najveoj mjeri odreuje utjecaj mjeritelja u varijaciji mjernog sustava. Mjerna
vrijednost obnovljivosti R je vrijednost unutar koje se moe oekivati da lei apsolutna razlika
izmeu dvaju rezultata mjerenja, dobivena uz uvjete obnovljivosti, uz vjerojatnost od 95 %
[11]. Kod odreivanja obnovljivosti vano je tono navesti promijenjene uvjete (mjerna
metoda, mjeritelj, mjerno naelo, mjerni instrument, vrijeme).
40
Varijacija dijelova PV (eng. Part Variation) odreuje utjecaj predmeta mjerenja u ukupnoj
varijaciji mjernog sustava TV.
– razlika izmeu najvee i najmanje vrijednosti
je srednja vrijednost svih mjerenja jednog dijela
2 – faktor u funkciji broja dijelova m i broja raspona g (tablica 3.). Broj raspona g u ovom
sluaju je jednak 1 [11].
Tablica 3. Vrijednosti faktora d2 [6]
Ponovljivost i obnovljivost
Oznaava se sa RR (eng. RepeatabilityReproducibility), a predstavlja ukupno rasipanje
rezultata mjerenja uslijed zajednikog uinka ponovljivosti i obnovljivosti. Varijacija mjernog
sustava RR još se naziva i preciznost mjernog sustava.
= √2 + 2 (7)
Ukupna varijacija (eng. Total Variation) ovisi o varijaciji mjernog sustava RR i o varijaciji
dijelova (uzoraka) PV.
41
Podruje dopuštenog odstupanja ili tolerancijsko polje, oznaava se oznakom T i rauna se
kao razlika gornje granice tolerancije (USL) i donje granice tolerancije (LSL).
= − (9)
Sposobnost mjernog sustava
Ocjenjuje se omjerom varijabilnosti mjernog sustava RR i tolerancijskog polja T ili
omjerom varijabilnosti mjernog sustava RR i ukupne varijacije TV.
=
× 100% (10)
× 100% (11)
Slika 7.5 Sposobnost mjernog sustava [6]
Kriteriji za ocjenu kvalitete mjernog sustava RR u tolerancijskom polju T ili ukupnoj
varijaciji TV dani su u tablici 4. Ako mjerni sustav nije zadovoljavajui, potrebna su
poboljšanja u mjernom sustavu.
Tablica 4. Kriteriji za ocjenu kvalitete mjernog sustava R&R [6]
% T, % TV Mjerni sustav je
< 10 Zadovoljavajui
> 30 Ne prihvatljiv
Mjerenje trokoordinatnim mjernim ureajem na nekoliko razliitih predmeta izvodilo se u
tvrtki Te-Pro. U nastavku ovog rada prikazat e se rezultati mjerenja i analiza ispitivanja
ponovljivosti i obnovljivosti 3D mjernog sustava. Tvrtka Te-Pro d.o.o. nalazi se u Vrhovljanu
(Sveti Martin na Muri), zapošljava oko 300 radnika i bavi se strojnom obradom metala,
tokarenjem, glodanjem, autogenim i laserskim rezanjem, varenjem visokozahtjevnih pozicija
te ostalom strojnom obradom. Matino poduzee tvrtke Te-Pro je austrijski Ferrotechnik
GmbH iz Graza. Proizvode se komponente za brze i moderne vlakove, rudarsku opremu te
dijelove energetskih strojeva i postrojenja. Tvrtka je opremljena najnovijom generacijom
strojeva, od strojeva za obradu tokarenjem, glodanjem, laserskog rezanja, savijanja pozicija,
varenja do kontrole kvalitete, odnosno mjerenja trokoordinatnim mjernim ureajem, 3D
mjernom rukom, laser trackerom, skenerom i ostalo. Tvrtka je orijentirana na inozemno trište
i izvozi 95 % svojih proizvoda.
Slika 8.1 Tvrtka Te-Pro [14]
Mjerenja trookoordinatnim mjernim ureajem provedena su na proizvodima visoke kvalitete,
koji imaju velike zahtjeve na tonost odreenih veliina. Kako su predmeti mjerenja ovog
rada izraeni na visoko zahtijevane tolerancije, do nekoliko mikrona (mikron = tisuiti dio
milimetra), mogunost pogreškama mora biti sveden na minimum. Npr. standardna debljina
papira ima debljinu od 70 do 180 μm, a veliina estice dima i vodene kapljice oko 10 μm.
elik duljine 100 mm se razlikuje za 11 μm u odnosu na temperaturu od 20 °C i od 30 °C.
Predmet mjerenja i ispitivanja na ponovljivost i obnovljivost je brtveni prsten koji se koristi u
strojevima, a mora osigurati otpornost na udare, prašinu, koroziju i sprijeiti izlazak fluida iz
jednog prostora u drugi pa se stoga mora osigurati velika preciznost izrade.
43
Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108 je trokoordinatni mjerni ureaj japanskog proizvoaa
Mitutoyo. Mitutoyo je jedan od vodeih svjetskih proizvoaa precizne mjerne opreme. Slika
8.2 prikazuje mjerni ureaj koji se nalazi u tvrtki Te-Pro u termiki izoliranoj mjernoj sobi u
kojoj se odravaju standardni mjeriteljski uvjeti tlak zraka p=101 325 Pa, temperatura
T=20°C i relativna vlanost zraka koja iznosi 58 %. Za precizno mjerenje moraju biti
osigurani specifini uvjeti jer pri maloj razlici u porastu temperature dolazi do širenja
materijala ili do suenja pri padu temperature. Konstrukcija ovog mjernog ureaja je mostna
struktura sa pokretnim mostom. Karakteristika ureaja je visoka preciznost u klasi od 1,7 μm,
sustav za kompenzaciju temperature koji garantira tonost mjerenja pri temperaturi od 16 °C
do 26 °C, velika brzina i veliko ubrzanje mjerenja te dizajn za visoku krutost koji garantira
dugotrajnu tonost, smanjenje vibracija unato velikim brzinama i ubrzanjima.
Slika 8.2 Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108
44
Slika 8.3 Shema Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108 [15]
Tablica 5. Dimenzije ureaja Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108
A B C D E F Y Z
Dimenzije oznaka
Tablica 6. Karakteristike ureaja Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108
Veliina radne ploe 1080 mm x 1720 mm
Pomak po X osi 900 mm
Pomak po Y osi 1000 mm
Pomak po Z osi 600 mm
Maksimalna brzina mjerenja 8 mm/s
Maksimalna brzina 520 mm/s
Maksimalna teina predmeta mjerenja 1200 kg
Maksimalna visina predmeta 800 mm - 1000 mm
45
8.1.2. Mjerna sonda
Za potrebe mjerenja koristila se mjerna glava Renishaw PH10MQ te mjerna sonda
SP25M, prikazane na slici 8.4. Mjerna sonda Renishaw SP25M spada u grupu jako brzih
sondi za skeniranje. Sonda tipa SP25M je najsloeniji, najsvestraniji i jedan od najtonijih
sustava za skeniranje u svijetu koji omoguuje brzo i ponovljivu automatsku izmjenu
modularnih elemenata.
Slika 8.5 Dimenzije Renishaw mjerne glave [16]
Karakteristike mjernih glava Renishaw:
Motorizirane indeksne glave
Mogunost pozicioniranja u 720 pozicija (A-os od 0° do 105°, B-os od -180° do
+180°)
Ponovljivost indeksiranja 0,4 μm
46
Slika 8.6 Ekstenderi, sonde, moduli i drai za glave PH10M i PH10MQ [17]
Slika 8.6 prikazuje mogunost prilagodbe mjerne glave/sonde ovisno o teini geometrije,
odnosno da li se odreenim mjernim ticalom moe pristupiti predmetu mjerenja bez kolizije.
Keramika kugla (bijele boje) za umjeravanje mjernog ticala sa koordinatnim ureajem i
mjerna ticala (roze boje) od Ø1 mm, Ø2 mm, Ø3 mm, Ø4 mm, Ø5 mm i Ø8 mm na stalku za
brzu izmjenu ticala prikazani su na slici 8.7.
Slika 8.7 Kugla za umjeravanje i stalak sa mjernim ticalima
47
Upravljanje mjernim ureajem odnosno pomicanje mjernog ticala moe se vršiti pomou
raunala ili komandne palice (slika 8.8). Prvo je potrebno runo odrediti poloaj predmeta u
prostoru mjernog ureaja pomou komandne palice tako da se izmjeri ploha u prostoru, toka
u prostoru i os za smjer kako bi softwer mogao usporediti koordinatni sustav predmeta i
koordinatni sustav mjernog ureaja za daljnje mjerenje.
Slika 8.8 Komanda palica („Joystick box“)
Kako se komandnom palicom upravlja mjernim ticalom tako se preko raunalnog softwer-a
prikazuje poloaj (x,y,z osi) mjernog ticala te odnos koordinatnog sustava ureaja i predmeta
mjerenja u smislu smjera vektora osi. Runo uzimanje koordinatnih toaka te konfiguriranje
znaajki i spremanje sa softwer-om je vano kod programiranja komada koji se mjeri prvi
puta, da bi se kasnije program samo pokrenuo ako je rije o više komada i ako je odreen
mehanizam stezanja.
48
Softwer koji se koristi za programiranje/mjerenje na trokoordinatnom mjernom ureaju
svjetski je standard u mjeriteljskom softwer-u, a naziva se Mitutoyo Controlled Open Systems
for Modular Operation Support (MCOSMOS). Program omoguuje integraciju itavog niza
aplikacija, poboljšava uinkovitost CMM-a i produktivnost funkcija kontrole kvalitete.
Slika 8.10 Izgled programa u tijeku mjerenja
Programiranje i mjerenje se moe izvesti naješe u geometrijskom online/offline modulima
GEOPAK koji ukljuuju podršku za brzo skeniranje (poznati put), korisniko definiranje
dijaloga i znaajki te programiranje varijabilne supstitucije. U drugim modulima mogue je
mjeriti preko 3D grafikog prikaza koji omoguuju automatsko generiranje puta mjerenja,
provjeru sudara i površinsku analizu. Preko programa pozicionira se mjerno ticalo pod
odreenim kutom, mijenja ticalo ovisno o predmetu, generira mjerni izvještaj, usporeuju
veliine, izabire nain izrauna itd. Elemente i znaajke koje je potrebno izmjeriti mogu se
izraunati i procjenjivati vlastitim izborom strategije mjerenja. Program kompenzira
geometriju i temperaturu te time jami najbolje rezultate mjerenja. Mogue je podesiti
nekoliko naina aproksimacije toaka: najmanja upisana krunica, najmanja opisana krunica,
Gauss-ova aproksimacija, tangencijalna itd.
8.2. Opis postupka mjerenja brtvenog prstena
Za potrebe ovog Završnog rada izmjeren je odreen broj istih proizvoda brtvenih prstena
za ispitivanje ponovljivosti i obnovljivosti mjernog sustava te još nekoliko drugih proizvoda
koji se primjenjuju kao prirubnice, brtveni prsteni, prototipi motora i slino. Brtveni prsteni
moraju osigurati vijek trajanja, toplinsku vodljivost, otpornost na eroziju i nepropusnost tj.
sprjeavanje izlaska fluida (maziva) iz jednog prostora u drugi. Kako je tvrtka Te-Pro
orijentirana na proizvode vezane za eksploataciju u energetskim postrojenjima kao što su
vjetroelektrane i druga energetska postrojenja, te u modernim vlakovima i rudarskoj opremi,
tenja za im manjim pogreškama je jako bitna. Mali dijelovi imaju veliko djelovanje na
velike strojeve pa treba osigurati maksimalnu preciznost i tonost sa ciljem da strojni dijelovi
ispune svoje zahtjeve i dug vijek trajanja. Zamjena dijelova u velikim postrojenjima kao što
su npr. vjetroelektrane ima enormne posljedice, zato jer elektrana ne proizvodi energiju,
zamjena košta i normalno da je stariji, netoan dio utjecao na ostale komponente.
Slika 8.11 išenje predmeta mjerenja prije mjerenja
Predmeti mjerenja stajali su u mjernoj sobi 24 sata prije mjerenja na standardnim
mjeriteljskim uvjetima da bi se poštivale norme i da se materijal „stegne“ jer prilikom obrade
zbog unosa topline se materijali šire. Slika 8.11 prikazuje išenje predmeta mjerenja kako bi
se smanjila mogunost pojave pogreške prilikom mjerenja zbog neistoa (prašina, emulzija,
ostatak metala nakon obrade) u utorima (tolerancije) i na površini.
50
Slika 8.12 Pozicioniranje brtvenog prstena
Vrlo je bitno predmet postaviti i mjeriti bez skidanja, odnosno da se koristi mehanizam
stezanja (slika 8.12) za predmet mjerenja ukoliko ima više istih predmeta za mjerenje.
Ukoliko nije mogue predmet mjerenja izmjeriti u jednom stezanju dolazi do mogunosti da
se pojedine veliine ne mogu usporediti (ploha sa drugom plohom u smislu paralelnosti) ako
su definirane prema crteu. Kod pozicioniranja potrebno je vrsto privrstiti predmet mjerenja
da prilikom dodira mjernog ticala ne bi došlo do pomaka predmeta mjerenja i daljnjim
mjerenjem ne bi dobivali lane podatke odreenih veliina.
Slika 8.13 Prikaz poloaja ticala u toku mjerenja i definiranja parametara u softwer-u
51
Prvo je potrebno izraditi program mjerenja u online runom modu kako bi se kasnije za ostale
iste predmete mogao koristiti programski nain rada na izraenom programu koji u ovom
sluaju uštedi puno vremena. Mjerenje poinje odreivanjem koordinatnog sustava predmeta,
a odreuje se ve navedenim u ovom radu, odnosno pomou komandne palice u runom
online modu se izmjeri ploha u prostoru, toka u prostoru i os za smjer te se takav postupak
odreuje za svaki isti komad, kako bi program znao gdje se predmet nalazi i mogao mjeriti
iste veliine zadane programom. Mjerenjem prema tehnikom crteu (slika 8.15) i dobivenim
podatcima poloaja toaka mjerenja, u programu na raunalo se mijenjaju, usporeuju i
definiraju veliine (slika 8.13) s ciljem da se dobije rezultat veliine.
Slika 8.14 Prikaz mjerenja brtvenog prstena
Mjerno ticalo (veliina od Ø1 do Ø8 mm) se mijenja ovisno o geometriji predmeta, a mjerna
sonda/glava mijenja poloaj kako bi se izmjerila druga strana predmeta ili ovisno o
nepristupanosti. Prema tehnikom crteu (slika 8.15) potrebno je izmjeriti 40-ak veliina,
definirati tolerancije odreene crteom ili normom ako nije navedeno na crteu. Prije mjerenje
treba kalibrirati (umjeriti) mjernu sondu pomou keramike kuglice. Komandnom palicom
tokom mjerenje se regulira brzina kojom se eli mjeriti.
52
53
Grafiki prikaz ovalnosti veliine Ø215 H7 (tolerancija +0,046, 0,000) na predmetu mjerenja
u softwer-u prikazan je na slici 8.16. Zeleno podruje prikazuje dopušteno odstupanje, uto
prikazuje krunicu prema Gauss-ovoj aproksimaciji toaka, a svjetloplavo oznaava
minimalnu i maksimalnu izmjerenu toku.
Slika 8.16 Ovalnost brtvenog prstena (veliina Ø215 H7)
Preko softwer-a na razne grafike naine mogue je prikazati definirane veliine, dobivene
geometrijske oblike i koordinate pozicija izmjerenih toaka, slika 8.17.
Slika 8.17 Prikaz izmjerenih veliina u softwer-u
54
8.3. Rezultati mjerenja
Rezultate mjerenja iz softwer-a dobiva se u obliku mjernog izvještaja (tablica 7.), a
izvještaj prikazuje traenu vrijednost, tolerancijsku vrijednost i dobivenu vrijednost veliine.
Grafiki prikaz odreene veliine crvenom bojom oznaava nezadovoljenu vrijednost, a
zelenom bojom zadovoljenu vrijednost.
Prijevod znaajki: Teil – Dio (broj crtea); Element Name – Naziv elementa; Merkmalname – Naziv znaajke;
Nennmaß - Nominalna dimenzija; Obere Tol. - Gornja tolerancija; Untere Tol. - Donja tolerancija; Istmaß -
Stvarna dimenzija; Abweichung. Übermaß – Odstupanje. Višak; Tol-Graphik – Grafiki prikaz.
Postupak za procjenu mjernog sustava temelji se na sluajnom odabiru 5 proizvoda iz grupe
od 50 proizvoda te se isti mjere dva puta sa dva mjeritelja zasebno. Tablice od 8. do 12.
prikazuju rezultate mjerenja 5 izabranih veliina iz grupe od 40 izmjerenih veliina prema
mjernim izvještajima koji su priloeni na kraju završnog rada.
55
Tablica 10. Rezultati mjerenja veliine Ø240
Tablica 11. Rezultati mjerenja veliine Ø226
Tablica 12. Rezultati mjerenja veliine Ø215 koaksijalnost
MJERITELJ BR. MJERENJA 1 2 3 4 5
1 253,928 253,918 253,926 253,918 253,931
2 253,927 253,917 253,924 253,918 253,932
1 253,926 253,917 253,925 253,917 253,931
2 253,926 253,918 253,925 253,916 253,932
Predmet mjerenja Brtveni prsten (Dichtring)
Mjerno sredstvo Trokoordinatni mjerni ureaj Mitutoyo
Gornja granica tolerancije U 253,944 mm
MJERITELJ A
MJERITELJ B
UZORAK BROJ
1 215,014 215,034 215,021 215,015 215,023
2 215,013 215,033 215,022 215,013 215,022
1 215,012 215,033 215,022 215,014 215,022
2 215,013 215,032 215,022 215,013 215,023
Predmet mjerenja Brtveni prsten (Dichtring)
Mjerno sredstvo Trokoordinatni mjerni ureaj Mitutoyo
Gornja granica tolerancije U 215,046 mm
MJERITELJ A
MJERITELJ B
UZORAK BROJ
1 240,025 240,016 240,044 239,928 240,041
2 240,026 240,015 240,043 239,929 240,040
1 240,024 240,015 240,044 239,927 240,040
2 240,024 240,015 240,045 239,929 240,042
Predmet mjerenja Brtveni prsten (Dichtring)
Mjerno sredstvo Trokoordinatni mjerni ureaj Mitutoyo
Gornja granica tolerancije U 240,5 mm
MJERITELJ A
MJERITELJ B
UZORAK BROJ
1 226,060 226,056 226,044 226,100 226,056
2 226,058 226,055 226,044 226,099 226,055
1 226,058 226,055 226,044 226,098 226,055
2 226,057 226,054 226,043 226,099 226,054
Predmet mjerenja Brtveni prsten (Dichtring)
Mjerno sredstvo Trokoordinatni mjerni ureaj Mitutoyo
Gornja granica tolerancije U 226,5 mm
MJERITELJ A
MJERITELJ B
UZORAK BROJ
1 0,044 0,041 0,028 0,044 0,029
2 0,045 0,041 0,028 0,040 0,029
1 0,046 0,040 0,028 0,040 0,029
2 0,045 0,040 0,028 0,041 0,029
MJERITELJ A
MJERITELJ B
UZORAK BROJ
Mjerno sredstvo Trokoordinatni mjerni ureaj Mitutoyo
Gornja granica tolerancije U 215,1 mm
56
Rezultati procjene sposobnosti mjernog sustava metodom aritmetikih sredina i raspona
prikazani su u tablici 13. Procjena se temelji na izraunu prema formulama (1-11) navedenim
u poglavlju 7. i rezultatima mjerenja navedenim u poglavlju 8.3.
Tablica 13. Rezultati procjene sposobnosti mjernog sustava
Udio u tol. polju
Udio u uk. varijaciji
Ø254 f7 6,83 % 4,21% 8,03 %
11,88 % 7,33 % 13,96 %
10,62 % 3,49 % 11,18 %
3,10 % 1,09 % 3,29 %
8,76 % 3,09 % 9,29 %
Prema izraunatim rezultatima u gornjoj tablici i u odnosu na tablicu 4. (Kriteriji za ocjenu
kvalitete mjernog sustava) zakljuuje se da su veliine Ø240, Ø226, Ø215 H7 koaksijalnost u
zadovoljavajuoj granici, a veliine Ø254 f7 i Ø215 H7 u zadovoljavajuoj/prihvatljivoj
granici s obzirom na zahtijevane tolerancije tih dviju veliina. Mjerni sustav je u granicama
zadovoljavajueg i prihvatljivog, odnosno moe se rei da je mjerni sustav precizan.
57
8.5. Mjerenje ostalih predmeta
Nakon mjerenja komada za potrebe procjene sposobnosti mjernog sustava, vršila su se
mjerenja razliitih proizvoda. Slika 8.18 prikazuje drugi predmet mjerenja odnosno kuište za
leaj (Lagerschild). Dobiveni mjerni izvještaji predmeta sa slike 8.18 dati su u prilogu.
Izmjereno je 14 veliina na 4 predmeta mjerenja.
Slika 8.18 Drugi mjerni predmet – kuište za leaj
Kod ovog predmeta mjerena je veliina unutarnjeg promjera Ø180 K6 (tol. 0,012, -0,028)
koja u tri sluaja od etiri nije zadovoljena. Cilindrinost, koaksijalnost i okomitost te veliine
je zadovoljena. Ostali mjereni unutarnji promjeri Ø190 K6 (tol. 0,005, -0,024), Ø190, Ø200
H8 (tol. 0,072, 0,000) i Ø168 su unutar dopuštenih tolerancija.
Slika 8.19 3D prikaz drugog mjernog predmeta
58
Trei mjerni predmet naziva se prirubnica, a prikazan je na slici 8.20. Mjerni izvještaji
prirubnice dati su u prilogu. Izmjereno je 14 veliina na 2 mjerna predmeta, nakon obrade i
sljedeeg dana. Nakon obrade komad se širi zbog topline, a stajanjem 24 sata na standardnim
mjeriteljskim uvjetima postiu se realne vrijednosti veliina.
Slika 8.20 Trei mjerni predmet - prirubnica
Iz mjernih izvještaja izabrano je 5 veliina te su usporeene u odnosu na mjerenja predmeta
nakon obrade i mjerenja sljedeeg dana. Tablica 14. prikazuje usporedbu izabranih veliina, te
se iz tablice zakljuuje da sve veliine osim Ø160 K7 koaksijalnost pod standardnim uvjetima
mjerenja padaju u vrijednosti koje su prihvatljive.
Tablica 14. Usporedba izmjerenih veliina prirubnice nakon obrade i sljedeeg dana
Veliina 1 predmet 2 predmet
Ø412 h6
Ø457,2
Ø160 K7
Ø160 K7
Koaksijalnost 0,030
*sve veliine su u izraene u milimetrima
59
Osim tri navedena predmeta mjerenja (brtveni prsten, kuište za leaj i prirubnice) za koje su
dati potpuni mjerni izvještaji u prilogu, izvodilo se i mjerenje predmeta prikazanih na slici
8.21. Pojedini predmeti na slici 8.21 izmjereni su u runom modu jer se koliinski izrauju u
malom broju, a kod odreenih predmeta mjerenje se izvelo samo za bitne znaajke odreene
tehnikim crteom. Neki proizvodi zbog sloenosti geometrije izmjereni su uz upotrebu 3D
modela preko kojeg se programiraju koraci mjerenja proizvoda.
Slika 8.21 Ostali predmeti mjerenja
60
Svrha ovog rada je opisati izvedbe, karakteristike i definirati podruje primjene za
trokoordinatne mjerne ureaje te analizirati navedeni ureaj s aspekta mjerne nesigurnosti.
Prikazani su razliiti primjeri konstrukcija trokoordinatnih mjernih ureaja i njihova
primjena za razliite vrste proizvoda. Od prvih koraka upotrebe kao dvoosnih sustava pa do
novih trokoordinatnih mjernih ureaja sa prikupljanjem enormnih brojeva podataka mjerenja
u jako kratkom vremenu i mjerenjem vrlo sloenih oblika geometrije. Velika prednost
trokoordinatnog mjernog ureaja je lagana automatska izmjena mjernih ticala i umjeravanja
(kalibriranja) u relativnom kratkom roku. Programom na raunalu omoguava se jednostavno
zakretanje mjernih sondi/ticala u puno pozicija te se time ostvaruju mjerenja na slabo
dostupnim geometrijskim znaajkama mjernog predmeta. U odnosu na beskontaktne,
nedostatak kontaktnih metoda je sporije vrijeme mjerenja i nemogunost mjerenja na
nepristupanim dijelovima predmeta gdje su geometrije neprikladne za kontaktno mjerno
ticalo zbog mogueg dolaska u koliziju sa predmetom. Kako bi se nedostatci umanjili, u
praksi se još koriste i višesenzorni mjerni ureaji koji u sebi posjeduju kontaktni i
beskontaktni mjerni senzor.
Upotreba online runog moda najbolja je za prvobitno odreivanje koordinatnog sustava
predmeta i stroja i jednokratna mjerenja, dok za više predmeta mjerenja se koristi programski
nain mjerenja koji uvelike ušteuje vrijeme i minimalizira pogreške. Upotreba 3D modela
predmeta sa automatskim nainom mjerenja, u kojem raunalo samo odreuje putanju
mjerenja daje najpouzdanije rezultate mjerenja.
U eksperimentalnom dijelu završnog rada opisano je mjerenje nekoliko razliitih vrsta
proizvoda u tvrtki Te-Pro na trokoordinatnom mjernom ureaju Mitutoyo Crysta Apex.
Navedene su karakteristike mjerne sonde, standardni mjeriteljski uvjeti u mjernoj sobi koji
moraju biti osigurani za tonost mjerenja te pozicioniranje predmeta mjerenja. S obzirom da
brtveni prsteni moraju osigurati dug vijek trajanja, nepropusnost i otpornost na eroziju jer se
nalaze u velikim sklopovima, mora se osigurati i velika preciznost. Ispitivanje ponovljivosti i
obnovljivosti odnosno procjene sposobnosti mjernog sustava metodom aritmetikih sredina i
raspona provelo se na proizvodima brtvenih prstena. Došlo se do rezultata da je sustav u
granicama zadovoljavajueg/prihvatljivog to jest da je sustav precizan.
Matija Jambrovi
U Varadinu, ______________ _________________
10. LITERATURA
[1] A. Grdi: Moderni trokoordinatni mjerni sustavi, Završni rad, FSB, Zagreb, 2015.
[2] N. Drvar: Usporedba metoda za odreivanje oblika i deformacija mehanikih
konstrukcija, Magistarski rad, FSB, Zagreb, 2004.
[3] N. Zaimovi-Uzunovi, S. Lemeš, D. Denjo, A. Softi: Proizvodna mjerenja, Mašinski
fakultet u Zenici, Zenica, 2009.
[4] A. Kunšt: Off-line programiranje mjernog robota, Diplomski rad, FSB, Zagreb, 2015.
[5] M. Roš: Mjerenje dimenzija gotovog proizvoda pomou trokoordinatnog mjernog
ureaja, Sveuilište Sjever, Varadin, 2018.
[6] B. Runje: Predavanja iz kolegija TEORIJA I TEHNIKA MJERENJA, Katedra za mjerenje i
kontrolu, Zagreb, 2014. Preuzeto: https://bib.irb.hr/datoteka/764412.Predavanja_TTM.pdf
[9] http://uk.ims-cmm.co.kr/company_01.php, dostupno 28.05.2018.
[10] https://archive.is/TqFxk, dostupno 28.05.2018.
[11] F. Bednjanec: Procjena kvalitete mjernog sustava, Završni rad, FSB, Zagreb, 2014.
[12] M. Jakši: Diplomski rad, FSB, Zagreb, 2011.
[13] D. Ivšac: Usporedba 3D mjernih postupaka u kontroli kvalitete, Diplomski rad, FSB,
Zagreb, 2014.
[18] https://books.google.hr/books?id=YUz5XpLUH9gC&pg=PA32&lpg=PA32&dq=david+mccur
ty+measuring++1972&source=bl&ots=yRA3ByZe_l&sig=E6WcN_QSbx9fR-
0tBN3Czn0_nSw&hl=hr&sa=X&ved=2ahUKEwi6hJWBoLfcAhXhF5oKHVTsABUQ6AEw
DHoECAcQAQ#v=onepage&q=david%20mccurty%20measuring%20%201972&f=false,
dostupno 16.08.2018.
Slika 2.1 Razvoj mjerila za proizvodna mjerenja [3] ................................................................. 4
Slika 2.2 Moore No.3 Univerzalni TMU, M3[8] ........................................................................ 5
Slika 3.1 Sastavni dijelovi koordinatnih mjernih ureaja [4] ..................................................... 6
Slika 3.2 Shematski prikaz pomine (lijevo) i statine (desno) mostne strukture [5] ................ 8
Slika 3.3 Mostna struktura sa pokretnim mostom [3] ................................................................. 9
Slika 3.4 Mostna struktura sa nepokretnim mostom [3] ............................................................. 9
Slika 3.5 Konzolna struktura TMU-a [3] .................................................................................. 10
Slika 3.6 Horizontalna struktura TMU-a [3]............................................................................. 11
Slika 3.7 Portalna struktura TMU-a [3] .................................................................................... 11
Slika 3.8 Koordinatni sustav stroja i radnog komada [3].......................................................... 13
Slika 4.1 Karakteristike idealne i realne geometrije radnog komada [3] ................................. 14
Slika 4.2 Idealna i realna geometrija [3] .................................................................................. 14
Slika 4.3 Princip koordinatne metrologije [3].......................................................................... 15
Slika 5.1 Osnovni dijelovi mjernih sondi [3] ........................................................................... 17
Slika 5.2 Sonda osjetljiva na dodir, 1973.g., Courtesy Renishaw [18].................................... 18
Slika 5.3 Prikaz potrebnih toaka za dobivanje oblika [5] ...................................................... 19
Slika 5.4 Vektorski dijagram mjerenja površinske toke mjernog objekta [4] ........................ 21
Slika 5.5 Vrste senzora [1] ....................................................................................................... 22
Slika 5.6 Mjerenje unutarnjeg provrta i cilindra [3] ................................................................ 23
Slika 5.7 Radni ciklus dodirno-prekidne sonde [3] ................................................................. 24
Slika 5.8 Princip djelovanja „trigger“ i analogne mjerne glave [2] ......................................... 24
Slika 5.9 Metoda skeniranja [3] ............................................................................................... 25
Slika 5.10 Usporedba mjerenja dodirno-prekidnom metodom i metodom skeniranja [3] ...... 26
Slika 5.11 Otporno-kinematske sonde i sile pri procesu mjerenja [3] ..................................... 26
Slika 5.12 Generiranje signala kod otporno-kinematskih sondi [3] ........................................ 27
Slika 5.13 Piezo sonde [3] ....................................................................................................... 28
Slika 5.14 Sonda sa mjernim trakama (Renishaw TP7M) [3] ................................................. 28
Slika 5.15 Višesenzorni princip rada [1].................................................................................. 30
Slika 5.16 Laser [4] .................................................................................................................. 32
Slika 5.17 Senzor sa projiciranjem laserske linije (lijevo) i višelinijski senzor (desno) [3] .... 32
Slika 5.18 Video senzor [3] ..................................................................................................... 32
Slika 5.19 Tehnike 3D ticala [4] .............................................................................................. 33
Slika 7.1 Tonost i preciznost [6] ............................................................................................ 37
Slika 7.2 Preciznost u uvjetima ponovljivosti i obnovljivosti [6] ............................................ 37
Slika 7.3 Ponovljivost [6] ........................................................................................................ 38
Slika 7.4 Obnovljivost [6] ........................................................................................................ 39
Slika 7.5 Sposobnost mjernog sustava [6] ............................................................................... 41
Slika 8.1 Tvrtka Te-Pro [14] .................................................................................................... 42
Slika 8.2 Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108 ............................................................................ 43
Slika 8.3 Shema Mitutoyo CRYSTA-Apex S 9108 [15] ......................................................... 44
Slika 8.4 Renishaw PH10MQ mjerna sonda............................................................................ 45
Slika 8.5 Dimenzije Renishaw mjerne glave [16] .................................................................... 45
Slika 8.6 Ekstenderi, sonde, moduli i drai za glave PH10M i PH10MQ [17] ...................... 46
Slika 8.7 Kugla za umjeravanje i stalak sa mjernim ticalima ................................................... 46
Slika 8.8 Komanda palica („Joystick box“) .............................................................................. 47
Slika 8.9 Koordinatni sustav u softwer-u .....................................................................